专利名称：用于进行放热或吸热气相反应的管束反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于进行放热或吸热气相反应的管束反应器，它具有包括由催化剂填充的反应管的管束，所述反应管由反应气体流过并穿过一反应区，在所述反应区内液态的载热介质环绕流过所述反应管，并且在所述反应区内围绕每个反应管布置多个用于改善热传递的流内置件(Strmungseinbaute)。
本发明还涉及一种用于进行放热或吸热气相反应的管束反应器，它具有一由反应器外壳包围的包括由催化剂填充的反应管的管束，所述反应管的一端由气体入口罩覆盖，其另一端由气体出口罩覆盖，并且所述反应管在气体入口罩附近穿过一预热区，接着穿过一反应区，其中所述预热区和相邻接的反应区在管束的区域由一隔板相互分隔开，并分别都由载热介质流流过。
在本申请的范围内，术语“反应气体”也应理解为包括多种作为组分的反应气体的反应气体混合物。
背景技术：
对于管束反应器的设计和运行存在一系列的对经济性和产品质量起决定性作用的影响因素。重要的影响因素首先包括在具有强烈热特性(Wrmetnung)的反应中反应管和反应管外侧上的载热介质之间高的热传递，同时与在垂直于反应管纵向穿过管束的每个横截面中载热介质中尽可能低的温度差相结合。由此可在每个横截面内在反应管内壁上实现均匀的温度分布，并由此可确保管束内统一的反应进行过程，即一反应管束的所有反应管—现代管束反应器可包含30000个或更多反应管—沿反应管的轴线具有基本上相同的反应气体温度分布图(Temperaturprofil)。由此可实现反应产物的高产出和良好的选择性。此外特别是对于放热氧化反应，还要求具有高的载热介质侧的传热系数，以在发生非预期的反应过程(失控(run-away)反应)时确保足够的冷却作用，并由此避免造成损害。对于所有的反应管，通过适当的流入性能来实现在每个横截面内尽可能均匀的温度分布和尽可能相同的和良好的传热值。为此已知多种措施。
如由美国专利Nr.4398595已知，为了改善传热，采用带肋的管作为反应管，并通过垂直于反应管的纵向完全或部分地穿过管束的杆件增强载热介质中的湍流。所述杆件也可以相互布置成直角。这里不利的是，所述反应管的图案必须是矩形的，并由此必须忍受比三角形分布小的管密度。此外，通过放置到反应管排之间的巷道中的杆件，向下的管分配(Rohrteilung)受到限制或者管的间距较大。
为了增强湍流，在DE10024348A1中建议，用填充体填充反应管之间的空间。由此，尽管管和管分配的布置不再受到限制，但在这种解决方案中平均流动横截面变得非常窄。因为一方面通常无法避免载热介质中污物，另一方面填充体散装物由于强烈变窄的流动横截面起过滤器的作用，存在阻塞的危险，阻塞会造成不均匀的通过流、局部过热或过冷、压力损失提高并由此垂直于反应管的纵向产生大的温度差。
在这种已知的管束反应器中，应该—如对于大多数应用场合有利的那样—通过高的载热介质循环量，在反应管的纵向上也保持温度差尽可能小，即在整个反应器中存在接近相同的、理想情况下是等温的状态。
但是对于一系列放热和吸热反应还希望，温度从反应管气体入口侧端部朝其气体出口侧端部升高或降低，因为这种温度分布图对于例如反应速度、转化(率)和产出量和选择性起有利的影响。
通过已知的多区反应器或通过多个前后顺序连接的分开的反应器来满足这种在反应管的气体出口侧端部上较高或较低的温度要求，其中在每个区域或在每个反应器内分别在接近等温的状态下进行各反应。这种解决方案的缺点是复杂并且昂贵。
同样例如由EP0700714A1或EP0700893A1已知，这样来运行载热介质通过水平延伸的转向板曲折形地流过管束的传统的放热单区反应器，即载热介质的温度从进入反应器的入口到流出反应器的出口升高2至10℃，优选升高3至6℃。这通过相应地确定—即降低—载热介质的流动速度来实现。其中应该指出，随着泵功率的降低，在反应器横截面上的温度分布图的不均匀性增加，因此出于稳定性的原因温度差优选只为3至6℃。这意味着，在反应管的纵向上希望的较大的温度差也会在管束的横截面上出现，这是不希望的。
为了降低管束横截面上的温度差，已知在反应气体进入反应区之前将其预热到载热介质进入管束时的温度，因为所输入的反应气体多数情况下明显比所输入的载热介质冷。
为此，在DE10024348A1中建议，在管束反应器前面连接一热交换器。因为需要单独的带有自己的载热介质循环和相应的调节及循环装置的装置，这种解决方案较复杂。可选地还已知一种电预热装置，但电预热装置是昂贵的，并且通常由于爆炸保护的原因是不可能设置的。
由EP0700714A1和EP0700893A1已知一种布置在管束反应器中的预热区。这里通过使反应气体首先流过例如惰性颗粒散装物，而使预热在反应管本身内进行。通过附加的装置，例如中央旁路，可以降低对于载热介质中的温度分布的不利影响。
但是当循环量较小时，所述已知的措施却不足以避免横截面内大的温度差，即消除如上所述EP0700714A1和EP0700893A1中指出的横向于反应管纵向的温度分布图的不均匀性。
发明内容
与此不同，本发明的目的是这样改善所述类型的管束反应器，即可以用较小的载热介质循环量运行，即可实现反应管纵向上较大的温度差，并在同时使热传递保持足够大，而使管束横截面上的温度差保持足够小。
根据本发明，所述目的在开头所述类型的管束反应器中这样来实现，即所述流内置件在反应管的纵向上和/或在其周向上分别以很小的相互间的净间距布置，所述间距的尺寸最大是使得通过径向位于外部的反应管形成的圆的直径与每个间距的比值最小为13。
根据本发明，所述目的在开头所述类型的管束反应器中还可以这样来实现，即将反应区分成至少两个环形空间，所述环形空间通过沿管束的周向延伸的板件限定，并且在所述环形空间内布置有设计成螺旋形导板的流内置件，所述流内置件导致螺旋形的通过流。
通过根据本发明的措施可以使管束反应器以这样的较少的载热介质循环量并由此以这样的较大的沿反应管纵向的温度差运行，这种循环量和温度差在现有技术中由于在这里出现的在管束横截面上的大温度差而被认为是无法实现的。利用根据本发明的流内置件的构型和布置，既可以显著地改善传热系数，也可以使横向于反应管纵向的温度分布明显均匀化。已经证明，流内置件相互之间的净间距与管束的外部尺寸适当的大比值导致提高通流速度/增强湍流/增大热传递面积中的至少两种效果的共同作用，并不仅对改善传热系数具有显著的影响，而且还会使热传递均匀化，并由此使反应管内壁上横向于反应管纵向的温度分布均匀化。已经证明，从至少13起的大比值，即使在沿反应管纵向温度差较大时，也可以实现比预先已知的管束反应器明显均匀的横向于反应管纵向的温度分布。
如果管束反应器沿径向分成其中布置有螺旋形的导流板的环形空间，所述导流板在每个环形空间中引导载热介质流通过位于这里的管束的环形部分，则可以实现相同的效果。螺旋形的流动获得横向流分量，通过所述横向流分量在载热介质中产生明显提高热传递的湍流。同时通过分成环形空间还实现了，在径向内部螺旋部上的和径向外部螺旋部上流动的载热介质之间的流动路径的长度差保持足够小，从而使由于不同的流动路径的长度造成的温度差保持尽可能小。
在开头所述类型的管束反应器中，所述管束反应器的管束由反应器外壳包围，在所述管束反应器中反应管的一个端部由气体入口罩覆盖，而其另一个端部由气体出口罩覆盖，所述反应管在气体入口罩附近穿过预热区，并接着穿过反应区，其中所述预热区和相邻接的反应区在管束的区域内由隔板相互分开，并且所述预热区和反应区分别由载热介质流流过，作为使横向于反应管纵向的温度分布均匀化的辅助措施建议，所述隔板基本上液体密封地与反应管相连，并且基本上是相同的载热介质流首先流过预热区并然后流过邻接的反应区。通过根据本发明的措施，可实现反应气体和载热介质的温度的平衡。温度的平衡，理想情况下直至温度的完全相等，可实现反应区的起始区域内的载热介质中非常均匀的温度分布，因为可使载热介质的任何再冷却和由此产生的温度分布的不均匀性保持尽量小，并在理想情况下完全避免上述情况。通过对于预热区和反应区采用相同的载热介质流，降低了技术上的花费，因为不需要单独的具有相应的必要的循环装置、加热装置和调节装置的载热介质循环。
在所输入的反应气体比所输入的载热介质热的情况下，所述“预热区”起冷却区的作用。
下面还将结合附图举例地对本发明进行详细说明。其中图1示出根据本发明的管束反应器的第一实施形式的纵向剖视图；图2示出根据本发明的管束反应器的第二实施形式的纵向剖视图；图3a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第一实施形式；图4a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第二实施形式；图5a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第三实施形式；图6a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第四实施形式；图7a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第五实施形式；
图8a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第六实施形式；图9a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第七实施形式；图10a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第八实施形式；图10c示出图10a中线Xc-Xc上的纵向剖面的放大的视图；图11a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第九实施形式；图11c左侧示出图11a和11b所示流内置件的半个正视图，而右侧示出其半个纵向剖视图；图12a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第十实施形式；图13a、b示出一组反应管的部分侧视图和该组的横向剖视图，其中具有根据本发明的流内置件的第十一实施形式；图14a示出根据本发明的管束反应器的第三实施形式的纵向剖视图；图14b示出图14a中的环形空间I中的螺旋形流内置件的透视图；图14c示出图14a中线XIVc-XIVc上的纵向剖视图；图15a、b、c示出图14a的环形空间I、II和III的螺旋形流内置件在包绕反应器外壳时的部分侧视图；图16a示意性示出螺旋形流内置件的另一个实施形式的俯视图；图16b示意性示出图16a的流内置件的部分透视图；图17a示出根据本发明的管束反应器的第四实施形式的图17b中线XVIIa-XVIIa上的部分纵向剖视图；图17b示出图17a的管束反应器在线XVIIb-XVIIb上的横向剖视图；图18a示出根据本发明的管束反应器的第五实施形式的图18b中线XVIIIa-XVIIIa上的部分纵向剖视图；图18b示出图18a的管束反应器在线XVIIIb-XVIIIb上的横向剖视图；
图19示出根据本发明的管束反应器的第六实施形式的纵向剖视图；图20示出用于根据本发明的管束反应器的载热介质循环的第一实施例的流程图；以及图21示出用于另一个根据本发明的管束反应器的载热介质循环的第二实施例的流程图。
具体实施例方式
附图中所示的根据本发明的管束反应器1的实施例具有一个包括由催化剂填充的反应管3的管束2，所述反应管由一个反应器外壳4包围。反应管3气体入口侧的端部5穿过第一管底部6并气体和液体密封地固定在所述管底部中。一个气体入口罩7覆盖第一管底部6或反应管3的气体入口侧端部5。反应管3气体出口侧的端部8穿过第二管底部9并气体和液体密封地固定在所述管底部中。一个气体出口罩10覆盖第二管底部9或反应管3的气体出口侧端部8。
反应管3穿过连接在图中上部的第一管底部6上的预热区11，然后穿过连接在预热区11上的反应区12。在反应区12内，所述反应管3-有时是部分地—用催化剂材料填充，在预热区11用惰性材料填充。所述预热区11和相邻接的反应区12在管束2的区域由隔板13彼此隔开。所述隔板13与反应管3基本上液体密封地连接。词语“基本上”应该是指，所述反应管3以其外侧密封地贴合在隔板13的通孔的壁部上，但是由于制造工艺上的原因不总是与隔板13焊接，从而不能避免极小的泄漏。与此不同，反应管3与管底部6、9相焊接，以确保绝对的密封，以防止气体和液体泄漏。
在图1所示的实施例中，首先借助载热介质输入管15将载热介质流14导入一环形通道16，所述环形通道在预热区11和相邻接的反应区12的起始区域17的范围内包围反应器外壳4。所述环形通道′16沿反应管的纵向分成三个部分环形通道18、19、20。
在预热区11内设置有一个环形的转向板21，所述转向板固定在反应器外壳4的内壁上。在所述环形转向板21中形成有通过开口22，所述通过开口在所示实施例中沿径向以彼此间规定的轴线间距布置，并且其直径径向向内增加。
所述部分环形通道18、19、20通过两个分隔板23、24彼此液体密封地隔开，在环形通道16的整个径向宽度上，所述分隔板中的一个23在环形转向板21的延长部中延伸，而另一个分隔板在隔板13的延长部中延伸。所述第一、中部的部分环形通道18一方面与载热介质输入管15流动连通，另一方面通过反应器外壳4中第一窗口或开口25与预热区11的位于隔板13和转向板21之间的范围流动连通。第二部分环形通道19通过反应器外壳4中的第二开口26与预热区11的位于转向板21和第一管底部6之间的范围流动连通。第三部分环形通道20通过反应器外壳4中的第三开口27与反应区12的直接与隔板13相邻接的起始区域17流动连通。第二和第三部分环形通道19、20通过连接通道28相互流动连通，所述连接通道在环形通道16内的分隔板23、24之间延伸并且与所述分隔板液体密封地连接。由此所述连接通道28在反应器外壳4的外部穿过第一中部部分环形通道18延伸。所述第一、第二和第三开口25、26、27以及连接通道28沿周向分别以彼此规定的间距布置。
载热介质流14从载热介质输入管15流入第一中部的部分环形通道18中，并在这里越过连接通道28流到反应器外壳4中的第一开口25。在流过第一开口25之后，载热介质14在转向板21和隔板13之间径向向内流，此时载热介质14的支流14a通过转向板21中的通过开口22流入转向板21和第一管底部6之间的范围。所述支流开口22使得速度分布较均匀，并由此实现尽可能小的压力损失。载热介质14剩余的支流14b在转向板21径向内部的边缘21a上转向到转向板21和第一管底部6之间的范围。载热介质14重新径向向外流动，并通过反应器外壳4中的第二开口26流入第二部分环形通道19中。载热介质14从这里通过连接通道28流入第三部分环形通道20，并从这里通过反应器外壳4中的第三开口27流入反应区12的起始区域17中。由此相同的载热介质14首先流过预热区11，然后流入反应区12。
根据本发明，预热区11中的载热介质14与反应区12内的流动分布(Strmungsführung)无关地按径向流被引导。由此尽管循环量较小，也可以以简单的结构形式实现高的热传递值。
通过用环形转向板21分割预热区11，并通过载热介质14的逆流流动分布，可在反应器的半径上实现对反应气体29特别均匀的预热。反应气体29主要在转向板21和第一管底部6之间的范围内进行升温，其中，由于高的传递功率，在载热介质14中并由此在反应气体29中出现温度差。在隔板13和转向板21之间的范围内对反应气体29中的温度差进行补偿，为此只必须再传递较小的功率。
即，在预热区11内，通过载热介质14对进入反应管3的反应气体29进行预热，其中这样设计预热区11，或者说在所示的实施例中使热传递面这样与预热区11内的反应管长度相匹配，以使在进入反应区12的入口处反应气体29的温度和载热介质14的温度基本上相同，并在管束横截面内存在尽可能小的温度差。
沿流动方向直接在反应器外壳4中的第三开口27的后面，并沿流动方向直接在从反应区12到一环形通道30和到一载热介质排出管44的出口孔43的前面分别布置一个分配板31、32，所述分配板具有多个通孔33，在热介质14通过所述通孔直接在其输入之后从环形通道16或直接在其排出之前从反应区12中流出。
在载热介质14进入反应区12的入口处，可以布置温度测量位置，以测量和调整载热介质14的温度。
分配板31、32垂直于反应管的纵向延伸。在该实施例中，所述反应管3只在分配板31、32之间的空间内用催化剂材料填充。
通孔33沿径向和沿周向以规定的彼此之间的间距布置。直径沿径向从外向内逐渐增加，以在管束2的整个横截面上实现载热介质14沿反应管3的均匀的体积流。
如上所述，在预热区11内，载热介质14按径向流和相对于反应气体的29逆向流被引导，而在反应区12内按纵向流和与反应气体29的同向流被引导。
每个反应管3在其外侧上由多个流内置件34包围，所述流内置件从外侧径向突出。在图1中示意性示出一喇叭形的局部内的流内置件34。所述流内置件34可以以例如隆起、凸杆或板状突起(Blechfahnen)的形式设计成点状的。所述流内置件也可以例如作为肋部设计成线形的，并且它们可以设计成面形的，例如作为转向板或导流板。在每一种情况下重要的是，所述流内置件以彼此间的净间距35布置，所述间距的尺寸在相对于一个由径向外部的反应管3a形成的圆的直径的比值不会超过一个最大值，所述直径对于圆形管束2的情况即是管束的外径。所述直径与每个净间距35的比值至少为13，对于面形流内置件34的情况优选为15，并且完全特别优选地为至少20。对于点状和线形流内置件34的情况，所述比值优选为100，并且特别优选为至少200。当流内置件34相同时，在应以较大的循环量运行的管束反应器1中，净间距35比应以较小循环量运行的管束反应器1中大。
在图3至13中示出点状和线形流内置件34的实施例，并在下面对其进行说明。
面形的流内置件34横向于反应管纵向在多个反应管3上延伸。下面借助于图2说明一个实施例。其它的实施例在下面结合图14和16详细说明。
在图2所示的实施例中，与按图1的实施例类似，在预热区11内布置有环形的转向板21，所述转向板以其径向的外边缘固定在反应器外壳4的内壁上。在反应器外壳4中，在转向板21和隔板13之间的范围内形成入口孔36，通过所述入口孔来自一连接在载热介质输入管上的环形通道16的载热介质14进入预热区11。连接通道28径向在管束外部在所述管束和反应器外壳4的内壁之间—即在反应器外壳4的内部—从转向板21延伸到隔板13，所述连接通道28液体密封地固定在转向板21和隔板13上，并在位于转向板21和第一管底部6的预热区11的范围和反应区12的起始区域19之间形成流动连通。与按图1的实施例类似，在转向板21中形成通过开口22，以使载热介质14的支流14a可流过。
载热介质14从环形通道16通过反应器外壳4中的入口孔36进入隔板13和转向板21之间的预热区11的范围。在这里载热介质越过连接通道28径向向内流，此时支流14a通过转向板21中的通过开口22流入转向板21和第一管底部6之间的范围。剩余的载热介质支流14b绕过转向板21径向内部的边缘21a流入转向板21和第一管底部6之间的范围，在该范围内载热介质14重新径向向外流动。载热介质14通过连接通道28从预热区11流入反应区12靠近隔板13的起始区域17。
在反应区12中，沿反应管纵向交替地设有环形的转向板37和盘形的转向板38，所述环形的转向板37在其径向内部的边缘上固定在反应器外壳4的内壁上，所述盘形的转向板38固定在没有管的内部区域39中。在所示实施例中，管束外径与环形和盘形的转向板37、38之间的净间距之间的比值约为15。通过多个转向板37、38可得到小的流动横截面，所述流动横截面即使在循环量较小时，也能导致较大的通过管束2的流动速度。载热介质14曲折地沿相互交替的形成顺序相连的通流段40的环形和盘形的转向板37、38流动，并由此重复地从外向内和从内向外流过管束2。这种横向流动与高的流动速度相结合导致高的湍流，并由此导致高的热传递。
在该实施例中，所述反应管3可在隔板13和第二管底部9之间的空间内用催化剂材料填充。
在预热区11内，载热介质14沿径向按相对于反应气体29的逆向流被引导，而在该实施例中，载热介质在反应区12内沿径向按和反应气体29同向的流被引导。
在反应区12的环形的转向板37中，与在预热区11的环形的转向板21相类似地，形成用于下一个通流段40的通过或支流孔41，所述孔沿径向和沿周向具有规定的彼此之间的间距布置，并且载热介质14的支流14c流过所述孔。所述支流孔41具有朝反应器轴线变大的横截面，以在半径变小时径向向内地防止速度过度升高，并保持垂直于管轴线的横截面内的温度差较小。
为了使垂直于管轴线的管束横截面内的温度分布均匀化，可在径向位于内部和外部的没有管的转向范围内安装混合器42，所述混合器也可将载热介质14导入转向范围。
由于所述多个转向板37、38，为了改善温度均匀性，在每个横截面上，在转向板37、38中通过填充/密封(Eindichten)消除了反应管3和其通过孔之间的泄漏流，最好在盘形的转向板38中和在环形的转向板37的外部范围内密封反应管3和其通过孔之间的间隙。
在图3至13中示出点状和线形流内置件34的几个实施例。
通过这种流内置件34既可以增强载热介质14中的湍流，也可以增大传热面。此外还可以明显地减小通流横截面。
图3a和3b示出设计成环形的肋部50，所述肋部分别同心地包围一个反应管3，并从所述反应管上伸出。沿反应管的纵向，所述环形肋部50以相同的彼此间的净间距35布置。相邻的反应管3的环形肋部50沿反应管纵向相互错开，而沿径向相互重叠。
图4a和4b示出与图3a和3b类似的流内置件34的环形设计。但在该实施例中，所述肋部设计成圆环形段或片形段51，所述段沿周向以彼此间预定的间距52布置。
肋部的外部轮廓可以任意地形成，例如与管布置的图案相对应，如图5a和5b所示。这里所述环形肋部53具有六角形的外部轮廓54。在该实施例中还示出，所述流内置件不必沿径向相互重叠。
如果所述肋部不重叠，则可简化将反应管3装配成管束的操作，因为可沿轴向移动反应管3以进行装配。这对于相互重叠的同心的或螺旋形的肋部是不可能的。在这种情况下，可以只是横向于其纵向地移动所述反应管3以进行组装。
与此不同，肋部沿流动方向的重叠会导致形成特别好的涡旋或湍流增强效果。
图6a和6b中示出点状的流内置件34。这里示出的流内置件设计成杆状或销状的，其中销56的长度设计成使相邻的反应管的销56不会相互重叠，但却尽可能多地填充反应管的中间空间。
图7a和7b以及8a和8b示出设计成螺旋形的、连续的并且分别包围一个反应管3的肋部57、58。所述肋部57、58的外部轮廓与图3b和5b中所示的肋部50、54的外部轮廓类似，在俯视图中是圆形的(图7b)或六角形的(图8b)。设计成螺旋形的肋部57、58也可以沿径向相互重叠(图7a、7b)或以一定的彼此间距终止(图8a、8b)。
螺旋形的肋部57、58的螺距大致相当于环形肋部50、54(图3a、5b)沿反应管纵向的间距。
作为另一个实施例，在图9a和9b中示出具有纵向肋部59的反应管3。沿反应管的周向纵向肋部59的外部轮廓总体上设计成六角形。相邻的反应管3的纵向肋部59终止于规定的较小的彼此间距处，如图9b所示，或者所述肋部可以齿轮式地相互接合，即相互重叠。
在图10至13中示出板状凸起或舌状的肋部形式的流内置件34。
图10a、10b和10c示出舌状的板状凸起60，所述板状凸起相互按规定的间距在一板带61中冲裁出来，并从所述板带平面中弯出。这种板带绕每个反应管3螺旋形卷绕，从而舌状部或者说板状凸起60径向伸出。板带61通过焊接部位62固定在反应管3上。
图11a、11b和11c示出冲裁的板状凸起63，所述板状凸起从一沿径向延伸的中部段64中沿反应管的纵向向相对的方向弯起，从而所述板状凸起相对于反应管的纵向倾斜地分布。这种舌状的板状凸起63按相对于载热介质14的流动方向规定的角度延伸，以使所述载热介质流具有横向的流分量。所述中部段64本身与一由板带制成的环或套管(Muffe)65一体地相连，并从所述套管的周向面沿径向向外弯出90°。在所示的实施例中，这种套管65具有八个所述板状凸起63。所述套管或环形冲裁板件65顺序地套装到反应管3上，并利用焊接部位66固定在其上。
图12a和12b示出类似的实施例，但其中将一个舌状的板状凸起68从一个径向延伸的段67中沿反应管的纵向只朝一个方向弯出。
在图13a和13b中示出的根据本发明的流内置件34的实施形式对应于图10a和10b中示出的舌状的板状凸起60。在该实施例中，在一个半圆柱形的壳体70中冲裁出板状凸起69，所述壳体的内径对应于反应管3的外径。分别将两个所述半圆柱形壳体70绕反应管3铺设，并优选通过焊接部位72连接成一套管71。在图13a和13b所示的实施例中，相邻反应管3的舌状的板状凸起60沿径向相互重叠。
为了防止由于载热介质14中的污物引起各流动横截面的局部堵塞，在根据图3至8和10至13的实施例中，相邻的流内置件50、51、53、56、57、58、60、63、68、69的净间距至少为3mm。对于如根据图9的实施例中那样的纵向肋部59，相邻纵向肋部59的净间距只是沿周向为至少3mm就足够了。
在图14至16中示出设计成螺旋形的流内置件34，所述流内置件不是螺旋形地包围单个的反应管3，而是在多个反应管3上延伸，并由这些反应管穿过。通过螺旋形的流动分布，使得沿轴向进入管束2的载热介质14具有横向流动分量，这种流动分量可明显提高热传递。
管束2由多个同心地相互套装的隔壁分成环形空间，在图14和15所示的实施例中通过三个这种圆柱形的隔壁80、81、82，其中径向最内侧的隔壁82包围没有管的内部空间83，反应器外壳4形成径向位于外部的环形空间的外壁。这样，在所示实施例中，形成三个分别具有单独的螺旋部84、85、86的环形空间I、II、III。
图14a以管束反应器1的部分纵向剖视图示出这样设计的反应区12。具有螺旋形流内置件84、85、86的所述环形空间I、II、III布置在两个分配板87、88之间，载热介质14穿过所述分配板进入环形空间I、II、III或螺旋部84、85、86，或者从其中流出。分配板87、88具有通过开口89，所述通过开口沿周向和沿径向彼此以一定间距布置，并且其横截面沿径向是变化的，与根据图1的实施例中的情况相类似。
通过开口89的横截面还附加地在周向上沿环形空间I、II、III变化，以在其入口区域和出口区域中实现均匀的速度分布。
如图1所示，分配板87、88在载热介质侧分别设置在距隔板13或第二管底部9一定距离处。在隔板13或第二管底部9和分配板87、88之间，在反应器外壳4中形成沿周向均匀分布的开口27、43，载热介质14穿过所述开口从载热介质输入管15和环形通道16、20进入反应区12或者从反应区流出到环形通道30中和载热介质排出管44中。
螺旋形的流动分布在每个环形空间I、II、III中多头/线地分布，即在每个环形空间中以相同的间距设有两个或更多螺旋形的导流板84、85、86。如图14b所示，例如在环形空间I中布置有三个螺旋形流内置件84。图14c示出图14a的管束反应器的所述环形空间I的纵向剖视图。螺旋形的流内置件不仅在一个环形空间内部，而且从环形空间到环形空间也具有相同的导程(Steigung)，如图15a、15b和15c对于环形空间I、II和III所示出的那样。利用所述措施，在一个环形空间内部以及从环形空间到环形空间，对于每个流动路径都形成基本上相同长度。
在图16a和16b中示出螺旋形流内置件的一个实施例，其中隔壁90、91、92、93按多边形(Polygonzug)的形式跟随反应管3的分隔图案。这是图14的一种变型，其中具有按60°重复的直边单元94、94’、95、95’、96、96’，由此形成六角形的同心地相互套置的隔壁90、91、92、93。在这种实施形式中可保留对管束2的均匀的三角分隔(Dreiecksteilung)，其中所述多边形形状的环形空间的角部区域94’、95’、96’保持没有管。
图17a示出图1中所示预热区11以及相邻接的向反应区12的载热介质14的输入部的一种改变方案。在根据图17a的实施例中，在预热区11中没有示出环形转向板21中的通过开口22。在连接通道28’中分别布置一个静态的混合装置100，所述混合装置在载热介质14流过时对其进行充分混合，从而具有均匀的温度的载热介质进入反应区12。
图17b中示出图17a的预热区11的横向剖视图。该横向剖视图也适用于图1中所示的预热区11。
在图18a和18b中示出环形通道的一个可选的实施形式，其中预热区11的设计对应于根据图17a的实施形式。在图18a和18b中所示的实施例中，包围反应器外壳4的外侧的环形通道101两件式地设计成一外部环形通道102和一内部环形通道103。
载热介质输入管104通入外部环形通道102。所述外部环形通道通过连接通道105与隔板13和转向板21’之间的预热区11的区域流动连通。所述连接通道105穿过内部环形通道103延伸，并相对于所述内部环形通道液体密封地被密封。载热介质14在外部环形通道102中沿周向流动，并通过所述连接通道105流入预热区11。
内部环形通道103通过反应器外壳4中的第一开口106与位于转向板21’和第一管底部6之间的预热区11的区域流动连通。通过反应器外壳4中的第二开口107内部环形通道103在隔板13附近与反应区12的起始区域17流动连通。
载热介质14通过反应器外壳4中的第一开口106从预热区11流出进入内部环形通道103，在内部环形通道中沿反应管纵向流过到反应器外壳4中的第二开口107的一段，并穿过所述第二开口进入反应区12。
图19示出与图2所示类似的预热区11和载热介质14输送部的设计，但具有与图17a对应的改动，即在连接通道28’中设有静态混合装置100。
通过一个在反应器外壳4的外侧上沿周向延伸的环形通道108，反应器外壳4中的中部开口36在隔板13和转向板21之间的区域与预热区11流动连通，并将载热介质14输送给预热区11。与图2所示实施例中的情况相同，连接通道28’布置在管束2的外部反应管3a和反应器外壳4的内部之间的没有管的空间中。
图20和21示出可能的用于本发明的管束反应器1的载热介质循环的流程图。
图20中示出的载热介质循环110在主流中流过一循环泵111、管束反应器1、热交换器112和静态混合装置113。在所述主流上连接一个载热介质补偿容器114。载热介质14只在一个载热介质循环中流动。
循环泵111直接设置在载热介质14进入管束反应器1的入口前面，并连接在一驱动马达115上。为了对载热介质14的循环量进行调整，沿流动方向在循环泵的前面和后面分别设置一个节流阀116、117。此外，还与循环泵111并联地设置一个旁通阀118，同样也可以通过所述旁通阀调整载热介质14的循环量。
为了调整载热介质14进入管束反应器1具有的温度，在载热介质循环110的主流中直接在载热介质14离开管束反应器1的出口的后面设置一个具有冷却和/或加热装置的热交换器112。在管束反应器1和热交换器112之间连接一个三通阀119，所述三通阀的入口120与管束反应器的出口相连，而所述三通阀的第一出口121与热交换器的入口相连。在所述三通阀119的第二出口122上连接一个通往热交换器112的旁路123。
这样调整所述三通阀119的节流横截面积，即入口120和位置128之间的压力差与流过热交换器112的通过流无关地保持恒定。与此反应器的负荷无关地实现恒定的流过反应器1的载热介质流14。
在冷却和加热装置的进口(Zulauf)之后，在进入管束反应器1的入口之前，在所示情况下在循环泵111之前，设置一个静态混合装置113，所述混合装置使载热介质的入口温度均匀化。
反应气体可以只在管束反应器1中的预热区11内被预热。不需要布设在反应器1外部的附加的预热装置。
载热介质14-通常是盐浴—通过循环泵111循环，并根据反应过程的不同由热交换器112冷却或加热。载热介质在第一管底部6的附近进入反应器外壳4，并在第二管底部9附近离开反应器外壳4。
载热介质14离开反应区12的出口处的平均温度比其进入反应区12的入口处的平均温度高至少2℃，优选高5℃，更优选地高10℃。
可通过调整载热介质14的循环量来调整所述温度差。
载热介质14从循环泵111首先进入反应器入口上的环形通道，在这里载热介质按已知的方式通过相应地设计的设置在反应器外壳4中的窗口均匀地在反应器1的周向上分布。
在通向反应区的旁路124中布置第二冷却或加热装置125。所述冷却或加热装置只在用于启动或关闭管束反应器1时是必要的，并且在正常运行时用阀126、127关闭，以防止流过。
图21中示出的载热介质循环130设计得较简单。所述载热介质循环也具有主流，所述主流通过循环泵111、管束反应器1、具有冷却或加热装置的热交换器122和静态混合装置113。这里在反应器1和冷却或加热装置112之间也连接一三通阀119，所述三通阀的入口120与管束反应器的出口相连，而所述三通阀的第一出口121与热交换器的入口相连。在第二出口122上也连接一个通往热交换器112的旁路123。同样，在所述主流上也连接一个载热介质补偿容器114。在该实施例中，通过循环泵111的驱动马达115的转速控制(装置)来实现对载热介质量的调整。
通过根据本发明的措施，可以根据负荷、催化剂使用寿命或其它处理条件来最优地调整反应器入口和反应器出口之间的温度差，并在同时确保横向于反应管纵向具有足够均匀的温度分布。
尽管循环量小，也可以在载热介质侧实现良好的热传递。根据本发明的措施可在载热介质侧实现提高流动速度和/或增强湍流和/或增大传热面。
与反应管3的内表面相关的载热介质侧传热系数可由此调整到至少1000W/(m2K)，优选调整到至少1500W/(m2K)，特别优选地调整到2000W/(m2K)。
利用根据本发明的管束反应器1，可以在额定负荷下在载热介质14进入反应区12的入口和离开反应区的出口之间实现这样的温度差，所述温度差优选大于10℃，特别优选地大于15℃，而不会在同时横向于反应管的纵向在管束2的横截面上出现大于目前为止在现有技术中认为是可接受的温度差，特别优选不大于10℃。
在根据本发明的管束反应器1的反应区12内，在每个垂直于反应管3的纵向的平面内部，载热介质14中的温度差优选最高为8℃，更优选地最高为5℃，特别优选地最高为2℃。
利用根据本发明的措施，只利用一个载热介质循环就可获得对于反应有利的沿反应管3的温度分布，由此可以实现高的转化(率)和产出量。由于载热介质循环量低，还可获得其它优点，如较小的泵、较小的用于载热介质循环的能量需求以及较小的用于输入和排出的横截面。
由于只需要一个载热介质循环，因此也只需要为一个载热介质循环设置相应的用于加热、冷却和调整的装置。
根据本发明的管束反应器特别适用于进行氧化反应，特别是用于制造邻苯二甲酸酐、马来酸酐、乙二醛、(甲基)丙烯醛和(甲基)丙烯酸。
权利要求
1.一种进行放热或吸热气相反应的管束反应器，具有包括由催化剂填充的反应管的管束，所述反应管由反应气体流过并穿过一反应区，在所述反应区内液态的载热介质环绕流过所述反应管，并且在所述反应区内围绕反应管分别布置多个用于改善热传递的流内置件，其特征在于，所述流内置件(34)在反应管(3)的纵向上和/或在其周向上分别以一定的相互间的净间距(35)布置，所述净间距的尺寸最大是使得由径向位于外部的反应管(3a)形成的圆的直径与每个净间距(35)的比值最小为13。
2.根据权利要求1所述的管束反应器，其特征在于所述流内置件(34)设计成多个环形和盘形的转向板(37、38)，所述转向板具有孔，反应管(3)穿过所述孔延伸。
3.根据权利要求2所述的管束反应器，其特征在于在所述盘形的转向板(38)中密封反应管(3)和孔之间的间隙的至少一部分。
4.根据权利要求2或3所述的管束反应器，其特征在于在没有管的转向区域安装有内部和/或外部混合构件(42)。
5.根据权利要求1所述的管束反应器，其特征在于所述反应区(12)分成至少两个环形空间(I、II)，所述环形空间由沿管束(2)的周向延伸的板(80、81；90、91、92)限定，在所述环形空间中设置有设计成螺旋形导板(84、85；94、95)的流内置件(34)，所述流内置件导致形成螺旋形通过流，其中由径向位于外部的反应管形成的圆的直径与前后顺序排列的螺旋螺纹之间的每个净间距的比值至少为13。
6.根据权利要求5所述的管束反应器，其特征在于包括这样的管束(2)，所述管束的没有管的内部区域(39)和环形空间(I、II)设计成同心的或多边形的，并且所述螺旋形的导板(84、85；94、95)分别具有相同的导程。
7.根据权利要求6所述的管束反应器，其特征在于所述多边形环形空间的角部区域(94’、95’)没有管。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的管束反应器，其特征在于按多头螺旋形式设置所述导板(84、85；94、95)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的管束反应器，其特征在于在所述环形空间的入口和出口横截面上设置有带有通过开口的节流板，所述通过开口的流动横截面设计成使得在所述环形空间中存在均匀的速度分布。
10.根据前述权利要求中任一项所述的管束反应器，其特征在于所述流内置件(34)的至少一部分安装在反应管的外侧并从反应管的外侧伸出。
11.根据权利要求10所述的管束反应器，其特征在于所述流内置件设计成隆起、销(56)、板状凸起(60、63、68、69)等形式的单个的构件。
12.根据权利要求10所述的管束反应器，其特征在于所述流内置件设计成肋部。
13.根据权利要求12所述的管束反应器，其特征在于所述肋部(50、51、53)分别相对于反应管(3)同心地分布。
14.根据权利要求12所述的管束反应器，其特征在于肋部(57、58)分别相对于反应管(3)螺旋形地分布。
15.根据权利要求12所述的管束反应器，其特征在于肋部(59)沿反应管(3)的纵向分布。
16.根据权利要求11至14中任一项所述的管束反应器，其特征在于相邻的流内置件(34)之间的每个净间距至少为3mm。
17.根据权利要求15所述的管束反应器，其特征在于净间距至少为3mm。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的管束反应器，其特征在于相邻的反应管(3)的流内置件(34)沿径向相互重叠。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的管束反应器，其特征在于相邻的反应管(3)的流内置件(34)沿径向不相互重叠。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的管束反应器，其特征在于载热介质流(14)基本上沿管轴线流过反应区(12)。
21.根据权利要求1至20中的任一项所述的管束反应器，其特征在于载热介质流(14)按与反应气体(29)的同向流流过反应区(12)。
22.根据权利要求1至21中的任一项所述的管束反应器，其特征在于将与反应管(3)内表面相关的载热介质侧的传热系数调整到至少1000W/(m2K)，优选调整到至少1500W/(m2K)，特别优选调整到至少2000W/(m2K)。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的管束反应器，其特征在于在反应区(12)中，载热介质(14)中的温度差在每个垂直于反应管(3)的纵向分布的平面中最高为8℃，优选最高位5℃，并且特别优选最高位2℃。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的管束反应器，其特征在于在反应器(1)的额定负荷下，载热介质(14)的平均温度在离开反应区(12)的出口处比其进入反应区(12)的入口处高至少10℃。
25.根据权利要求24所述的管束反应器，其特征在于可通过调整载热介质(14)的循环量调整所述温度差。
26.用于进行放热或吸热气相反应的、特别是根据权利要求1至23中任一项所述的管束反应器，具有一由反应器外壳包围的包括由催化剂填充的反应管的管束，所述反应管的一端由气体入口罩覆盖，而其另一端由气体出口罩覆盖，并且所述反应管在气体入口罩附近穿过一预热区，接着穿过一反应区，其中所述预热区和相邻接的反应区在管束的区域由一隔板相互分隔开，并分别都由载热介质流流过，其特征在于所述隔板(13)与所述反应管(3)基本上液体密封地相连，并且基本上相同的载热介质(14)首先流过预热区(11)，然后流过相邻接的反应区(12)。
27.根据权利要求26所述的管束反应器，其特征在于载热介质(14)沿径向按相对于反应气体(29)的逆流流过预热区(11)。
28.根据权利要求26或27所述的管束反应器，其特征在于反应气体(29)和载热介质(14)在进入反应区(12)的入口处具有基本上相同的温度。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的管束反应器，其特征在于反应管(3)在预热区(11)的范围内填充有惰性颗粒散装物。
30.根据权利要求26至28中任一项所述的管束反应器，其特征在于在载热介质(14)从预热区(11)到反应区(12)的流动路径中，沿径向在管束(2)的外部安装有混合构件(100)。
31.根据权利要求26至28中任一项所述的管束反应器，其特征在于在载热介质(14)进入反应区的入口处设有用于测量和调节载热介质(14)的温度的温度测量位置。
32.具有根据权利要求1至31中任一项所述的管束反应器的装置，其特征在于在冷却和加热装置(112)的进口后面和管束反应器(1)的入口前面设置有静态混合装置(113)，所述混合装置使载热介质的温度均匀化。
33.具有根据权利要求1至31中任一项所述的管束反应器的装置，其特征在于在正常运行中，可关闭设置在通往管束反应器(1)的旁路(124)中的只在管束反应器(1)的启动或停止时才需要的冷却和加热装置(125)，以防止通过流。
全文摘要
本发明涉及一种进行放热或吸热气相反应的管束反应器，它具有包括由催化剂填充的反应管的管束，所述反应管由反应气体流过并穿过一反应区，在所述反应区内液态的载热介质环绕流过所述反应管，并且在所述反应区内围绕每个反应管布置多个用于改善热传递的流内置件，其中，建议了流内置件的设计和布置，利用所述设计和布置，在载热介质循环量较小或反应管纵向上的温度差较大时，使热传递保持足够大和管束横截面上的温度差保持足够小。为了进一步使载热介质中的温度均匀化，还建议在管束反应器中在反应区前面连接预热区，在管束的范围内，所述反应区和预热区液体密封地相互隔开，并且由相同的载热介质流过这两个区。
文档编号B01J8/06GK1817435SQ200610002110
公开日2006年8月16日 申请日期2006年1月16日 优先权日2005年1月14日
发明者M·莱尔 申请人:曼德韦有限公司